王 琨，王 熙，覃 涛，李 强（.同济大学 土木工程学院； .同济大学 地下建筑与工程系，上海 0009）

岩石冻胀的影响因素与试验分析

王 琨1，王 熙1，覃 涛1，李 强2
（1.同济大学 土木工程学院； 2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092）

围岩冻胀对衬砌结构产生的冻胀力是造成隧道冻害的重要原因之一。目前关于岩石冻胀的研究表明，岩石的冻胀主要受内因和外因两方面影响。内因主要包括岩石弹性模量、孔隙率、基质颗粒大小、抗拉强度、冻胀敏感性等；外因主要包括温度、水、冻结速率等。岩体冻胀还主要受到裂隙的影响。通过不同岩样的冻胀试验，对岩石冻胀的影响因素作出了进一步分析，为开展岩石冻胀性相关试验提供有益借鉴。

岩石；岩体；冻胀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.183

0　引言

随着我国在高海拔和寒冷地区修建的隧道工程数量不断增加，隧道冻害的问题越来越突出。围岩冻胀对衬砌结构产生的冻胀力是造成寒区隧道冻害的重要原因。对已建成的高寒地区隧道的调查显示：在北海道和我国东北地区发生严重冻害的隧道中，80%以上都是岩质隧道［1］。目前寒区隧道设计的相关规范并未给出冻胀力荷载的完善计算方法，衬砌设计多采取增加配筋、增大截面的保守策略。对围岩冻胀机理的研究，可以完善寒区隧道的设计方法，节省造价，因而具有重要意义。

本文从影响岩石冻胀性的因素出发，对研究现状进行了总结，归纳为内因和外因两个方面；并总结了裂隙对岩体冻胀的影响的相关研究。结合对不同材料进行的冻胀试验，对影响岩石冻胀的因素作了进一步分析与验证，也为开展岩石冻胀性相关试验的选材提供了有益借鉴。

1　影响岩石冻胀性的因素

1.1影响岩石冻胀性的内因

岩石的物理力学性质是决定岩石冻胀能力的重要因素。目前研究认为影响岩石冻胀性的内因主要有岩石弹性模量、孔隙率、基质颗粒大小、抗拉强度以及冻胀敏感性等等。

岩石冻胀力的大小和弹性模量有一定关系，当岩石弹性模量较大时，孔隙抵抗变形的能力相应也会比较强，易产生较大的冻胀力。根据杨卫［2］的分析，弹性模量越大的时候裂隙的临界断裂应力也越大，最终使得弹模较大的岩体可以抵抗较大的冻胀荷载。

当岩石的孔隙率超过一定值时容易受到冻胀损伤，而当孔隙率低于一定值时，岩石经几百次冻融循环后几乎没有影响［3］。

岩石的冻胀性还与基质颗粒大小有关。冰在岩石基质粗细骨料界面上的生长速率较低，在中等粒径骨料中生长较快。因此使得中等粒径岩石抗冻融耐久性较高［4］。

岩石中的水冻结膨胀产生的冻胀力造成岩石开裂，本质上是因为岩石中的拉应力超过了其抗拉强度。因此岩石的抗拉强度越高越不容易发生冻胀破坏。

根据岩石中发生水热迁移的强度不同，岩石可分为冻胀敏感性岩石和非冻胀敏感性岩石［5］。夏才初等人的研究表明［6］，随着围岩级别增大，裂隙发育，岩体的冻胀率随之增大，冻胀敏感性岩石构成的岩体冻胀率增长幅度大于非冻胀敏感性岩石构成的岩体。

1.2影响岩石冻胀性的外因

岩石的冻胀是在与外界进行一定的水热交换的条件下发生的，因此水和温度以及岩石与外界进行水热交换的条件（封闭条件和开放条件）是主要的外部影响因素。

水是形成冻害的主要因素，岩石的冻胀很大程度上与水有关。通过改变岩样的饱水程度，来测定水对冻胀的影响。康永水和刘泉声在研究岩石冻胀特征［7］的时候，通过对饱和岩样和干燥岩样的试验，发现干燥岩样出现热胀冷缩的现象，并未有冻胀发生；而饱和岩样一个冻融循环内大致经历了冷缩、冻胀、融缩、热胀等阶段，并产生了残余应变。最后通过分析得出结论：

（1）若饱和度较低，则岩石孔隙中被空气占据的空间较大，即使水分全部冻结也不能发生冻胀变形；

（2）孔隙度过低时，即使初始饱和且完全冻结但冻胀应变较低，岩样整体仍表现为冷缩特征。

乔国文等［8］在使岩体结冰过程中仅产生单向膨胀的条件下测得冻胀与温度的关系，得到了如下结论：

（1）冻胀启动时间随着负温的增加时间在变短，即温度越低，冻胀启动的越快。冻胀起始时间与负温间的关系有呈幂指数降低的趋势；

（2）水结冰的最终压力大小与温度没有明显关系，即相同岩石和裂隙水状况，不同的负温度最后的冻胀力峰值都差不多。温度主要影响其冻结速率，即温度越低，冻胀启动越早，冻结速率越快，岩石内的水分来不及排出，冻胀力增长越明显。

水在结冰过程中会有体积的膨胀。若岩石处于封闭条件，孔隙中的水在冻结过程中不能排出，便会发生原位冻结，产生较大的冻胀力；若岩石处于开放条件，孔隙中的水可以与外界进行充分交换，那么部分冻结过程中的孔隙水便会被排出，冻胀作用降低。

1.3裂隙对岩体冻胀的影响

岩体的冻胀是岩石与裂隙二者冻胀的综合表现。不冻胀的岩石在破碎情况下也会表现出冻胀性，因此裂隙对岩体冻胀性的影响不可忽视［9］。

影响岩体冻胀性的主要因素是裂隙冰。水分在岩体裂隙中冻结时体积增大，受到周围岩体的约束便产生了冻胀力，当冻胀力增大到一定值时会使得岩体裂隙扩展，甚至导致整个岩体的冻裂破坏。因此裂隙的数目、长度以及倾角等对岩体的冻胀性有着显著的影响。路亚妮［10］的试验和T.M.Tharp［11］的结论如下：

（1）和完整岩样相比，有裂隙的岩样经冻融循环后的强度明显低于完整的岩样；

（2）在裂隙倾角相同的条件下，随着裂隙长度的增加，单轴抗压强度有所降低。若裂隙倾角发生变化时，裂隙倾角越大，裂隙长度对抗压强度的影响越小；

（3）裂隙中的冻胀力大小与裂隙几何形态有关，长宽比较大的裂隙易吸水饱和，因此受冻胀的影响相对较大；

（4）但当裂隙尺寸很大时孔隙饱和度低冻胀率小，裂隙尺寸较小时易出现过冷状态，这两种情况下都难以出现明显的冻胀损伤，因此只有当裂隙尺寸适中以及裂隙数量较多时容易产生冻融损伤。

2　不同岩石冻胀性的试验分析

2.1试样

试验选取凝灰岩、砂岩、砂浆三种材料制备试样，且所有凝灰岩岩样和砂岩岩样分别取自同一块大岩块，以保证试件的统一性和试验数据的可比性。选取砂浆模拟岩样，是考虑到这种材料具备工程软岩的性质，性质均匀，无节理和裂隙，强度不高。凝灰岩、砂岩试样为高100mm，直径50mm的圆柱体，符合国际岩石力学学会规定的高径比2.0～2.5的要求，试件加工精度满足我国《岩石试验方法标准》的相关规定。砂浆试样为边长70.7mm的标准立方体。

试样需先进行干燥处理，再吸水饱和，以进行冻胀试验。干燥试样的处理方法为：将选好的试样放入烘箱中，在105℃温度下烘48小时至恒重（24小时内其质量变化不超过0.1%），然后称量并记录各试样的质量。饱和试样的处理方法为：把选好的试样放入抽气容器中，密封容器，以0.1MPa压力抽取容器中的空气，稳定4h后向容器中放入蒸馏水，并继续抽气至表头压力0.1MPa，稳定12h，拭干表面水分，称取饱和试样的质量。由干燥试样和饱和试样的质量得出试样孔隙率。三种试样的基本物理性质见表1。

表1　试样基本物理性质

2.2试验方案及试验设备

本试验的目的是研究不同岩样在低温环境下的冻胀特性。试验首先测定了每种试件的基本物理参数并进行比较，每种试样材质均匀，无显著缺陷和变异。选取三种试样各3个试件进行试验，将试件放入抽吸容器中，使其吸水饱和。之后在每块试件上沿轴向和环向各贴一个应变片，并焊接导线。石英玻璃片做补偿块，贴一个同一型号的应变片做补偿片。在试样外部包裹密封薄膜，放入-20℃恒温室中，测定其应变—时间关系曲线，以此判断不同岩石材料的冻胀性大小，分析影响冻胀性的因素。

试验所用到的主要设备及材料如下：

（1）电子天平称（精度±0.01g），烘箱，干燥器，真空抽气设备；

（2）低温试验箱；

（3）JM3812多功能静态应变测试仪，8通道；

（4）BX120-5AA型耐低温应变片，导线，石英玻璃。

2.3试验结果与分析

图1～3为饱和凝灰岩、砂岩、砂浆标准试件在-20℃恒温封闭条件下冻结的环向、轴向应变—时间关系曲线，曲线所用数据为每种试样的3组数据之平均值。

图1所示的凝灰岩应变—时间曲线中，在将室温条件下的试件放入低温室后，试件应变迅速降低，体积收缩；在1h左右，应变达到-350×10-6左右；之后应变降低放缓，在接近-560×10-6时趋于稳定，试件最终无体积膨胀，表现为冻缩现象。

图2表示，在将室温条件下的砂岩试件放入低温室后，砂岩的应变曲线迅速下降，在1h左右，应变达到-600×10-6；之后曲线放缓，达到-800×10-6后近乎保持水平。最终表现为冻缩现象。

图3为砂浆试件应变—时间曲线。在将室温条件下的砂浆试件放入低温室后，砂浆的应变曲线先迅速降低后达到水平，在1.3h左右达到峰值应变，约为-250×10-6，表现为冻缩现象。之后曲线开始回升，冻缩现象减弱，在1.5h左右应变为零，试件无体积变形。之后曲线快速回升，应变为正且不断增大，试件体积膨胀；最终在3h左右，应变达到峰值，约为1700×10-6，曲线保持水平，应变趋于稳定。试件最终表现出明显的冻胀现象。

图1　凝灰岩试件-20℃条件环向和轴向应变—时间曲线

图2　砂岩试件-20℃条件环向和轴向应变—时间曲线

图3　砂浆试件-20℃条件环向和轴向应变—时间曲线

从以上试验现象可以看出，本试验所选取的凝灰岩和砂岩试件只有冻缩而无冻胀现象，而砂浆试件表现出明显的冻胀现象。本试验所选取的三种材料，孔隙率凝灰岩＜砂岩＜砂浆，强度凝灰岩＞砂岩＞砂浆。所用凝灰岩和砂岩试件的孔隙率低，即使试件饱和，含水率仍然较低；同时，岩样的抗拉强度却很高。在低温室冻结时，孔隙中的水结冰产生的冰压力不足以克服两种岩样的抗拉强度以产生冻胀现象。然而，试验所用砂浆试件强度远低于两种岩样，而孔隙率又很高，试件中的水结冰时产生的冰压力足以克服砂浆的抗拉强度，使体积产生膨胀，因而获得了明显的冻胀现象。此外，砂浆试件能较好地模拟的寒区软岩的性质，符合实际。因此，选用强度较低且孔隙率较高的砂浆试件可以取得明显的冻胀效果。

3　结论与展望

岩石的冻胀性主要受内部和外部两方面因素影响，内因主要包括岩石弹性模量、孔隙率、基质颗粒大小、抗拉强度、冻胀敏感性等，外因主要包括温度、水、冻结速率等。通过试验分析可知，孔隙率和抗拉强度是主要因素，用强度低且孔隙率高的砂浆试件可以取得明显的冻胀效果。实际情况下，围岩是由岩石和裂隙构成的岩体组成的，裂隙对冻胀的影响不容忽视。因此，在研究岩体冻胀问题时，必须将裂隙的性质合理纳入分析模型，这需要更深入的研究。

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［9］同［6］.

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